Karakteristikat e baterisë litium-jon

Litiumi është metali më i vogël dhe më aktiv në tabelën periodike kimike. Për shkak të madhësisë së tij të vogël dhe densitetit të lartë të kapacitetit, ai është i mirëpritur gjerësisht nga konsumatorët dhe inxhinierët. Megjithatë, vetitë kimike janë shumë aktive, gjë që sjell rreziqe jashtëzakonisht të larta. Kur metali litium ekspozohet ndaj ajrit, ai do të reagojë dhunshëm me oksigjenin dhe do të shpërthejë. Për të përmirësuar sigurinë dhe tensionin, shkencëtarët shpikën materiale të tilla si grafiti dhe oksidi i litiumit të kobaltit për të ruajtur atomet e litiumit. Struktura molekulare e këtyre materialeve formon një rrjet të vogël magazinimi në nivel nano që mund të përdoret për të ruajtur atomet e litiumit. Në këtë mënyrë, edhe nëse guaska e baterisë çahet dhe oksigjeni hyn, molekulat e oksigjenit do të jenë shumë të mëdha për të hyrë në këto qeliza të vogla depozituese, në mënyrë që atomet e litiumit të mos vijnë në kontakt me oksigjenin dhe të shmangin shpërthimin. Ky parim i baterive litium-jon u mundëson njerëzve të arrijnë siguri duke arritur një densitet të lartë të kapacitetit.

Një provë elektrike kundër shpërthimit

Kur një bateri litium-jon ngarkohet, atomet e litiumit në elektrodën pozitive humbasin elektrone dhe oksidohen në jone litium. Jonet e litiumit notojnë drejt elektrodës negative përmes elektrolitit, hyjnë në qelizën e ruajtjes së elektrodës negative dhe marrin një elektron, i cili reduktohet në atome litium. Gjatë shkarkimit, e gjithë procedura është e kundërt. Për të parandaluar prekjen e drejtpërdrejtë dhe lidhjen e shkurtër të poleve pozitive dhe negative të baterisë, baterisë i shtohet një letër diafragme me shumë pore për të parandaluar qarkun e shkurtër. Një letër e mirë diafragme gjithashtu mund të mbyllë automatikisht poret kur temperatura e baterisë është shumë e lartë, në mënyrë që jonet e litiumit të mos kalojnë, në mënyrë që ata të mund të përdorin artet e tyre marciale për të parandaluar rrezikun.

mbrojtje

Pasi bateria e litiumit të mbingarkohet në një tension më të lartë se 4.2 V, do të fillojnë të shfaqen efekte anësore. Sa më i lartë të jetë tensioni i mbingarkesës, aq më i lartë është rreziku. Kur voltazhi i baterisë së litiumit është më i lartë se 4.2 V, numri i atomeve të litiumit që mbeten në materialin e elektrodës pozitive është më pak se gjysma. Në këtë kohë, qeliza shpesh shembet, duke shkaktuar një rënie të përhershme të kapacitetit të baterisë. Nëse vazhdoni të ngarkoni, pasi qeliza e elektrodës negative tashmë është e mbushur me atome litium, metali i mëpasshëm i litiumit do të grumbullohet në sipërfaqen e materialit të elektrodës negative. Këto atome litiumi do të rritin dendritë nga sipërfaqja e elektrodës negative drejt drejtimit të joneve të litiumit. Këto kristale metalike të litiumit do të kalojnë përmes letrës ndarëse dhe do të bëjnë qark të shkurtër elektrodat pozitive dhe negative. Ndonjëherë bateria shpërthen përpara se të ndodhë qarku i shkurtër. Kjo ndodh sepse gjatë procesit të mbingarkesës, elektroliti dhe materialet e tjera do të plasariten për të prodhuar gaz, duke shkaktuar fryrjen dhe këputjen e guaskës së baterisë ose valvulës së presionit, duke lejuar që oksigjeni të hyjë dhe të reagojë me atomet e litiumit të grumbulluar në sipërfaqen e elektrodës negative. Dhe më pas shpërtheu. Prandaj, kur ngarkoni një bateri litium, kufiri i sipërm i tensionit duhet të vendoset në mënyrë që jetëgjatësia, kapaciteti dhe siguria e baterisë të merren parasysh në të njëjtën kohë. Kufiri i sipërm më ideal i tensionit të karikimit është 4.2 V. Ekziston gjithashtu një kufi më i ulët i tensionit gjatë shkarkimit të baterive të litiumit. Kur tensioni i celularit është më i ulët se 2.4 V, disa materiale do të fillojnë të shkatërrohen. Gjithashtu, duke qenë se bateria do të shkarkohet vetë, sa më gjatë të mbetet, aq më i ulët do të jetë voltazhi. Prandaj, është mirë të mos ndaloni kur bateria të shkarkohet në 2.4 V. Gjatë periudhës kur bateria e litiumit shkarkohet nga 3.0V në 2.4V, energjia e çliruar përbën vetëm rreth 3% të kapacitetit të baterisë. Prandaj, 3.0V është një tension ideal ndërprerës i shkarkimit.

Gjatë karikimit dhe shkarkimit, përveç kufirit të tensionit, është i nevojshëm edhe kufiri i rrymës. Kur rryma është shumë e madhe, jonet e litiumit nuk do të kenë kohë të hyjnë në qelizën e ruajtjes dhe do të grumbullohen në sipërfaqen e materialit. Pasi këto jone litium të marrin elektrone, ata do të prodhojnë kristale të atomit të litiumit në sipërfaqen e materialit, që është njësoj si mbingarkesa, e cila është e rrezikshme. Nëse këmisha e baterisë çahet, ajo do të shpërthejë.

Prandaj, mbrojtja e baterive litium-jon duhet të përfshijë të paktën tre elementë: kufirin e sipërm të tensionit të karikimit, kufirin e poshtëm të tensionit të shkarkimit dhe kufirin e sipërm të rrymës. Në përgjithësi, në një paketë baterie litium, përveç bërthamës së baterisë së litiumit, do të ketë një tabelë mbrojtëse. Ky bord mbrojtës kryesisht ofron këto tre mbrojtje. Megjithatë, këto tre mbrojtje të tabelës mbrojtëse padyshim nuk janë të mjaftueshme dhe ende ka shpërthime të shpeshta të baterive të litiumit në mbarë botën. Për të garantuar sigurinë e sistemit të baterisë, shkaku i shpërthimit të baterisë duhet të analizohet më me kujdes.

Analiza e llojit të shpërthimit

Llojet e shpërthimit të qelizave të baterisë mund të klasifikohen në tre lloje: qark i shkurtër i jashtëm, qark i shkurtër i brendshëm dhe mbingarkesë. Pjesa e jashtme këtu i referohet pjesës së jashtme të qelizës së baterisë, duke përfshirë qarqet e shkurtra të shkaktuara nga dizajni i dobët i izolimit të brendshëm të paketës së baterisë.

Kur ndodh një qark i shkurtër në pjesën e jashtme të qelizës dhe komponentët elektronikë nuk arrijnë të ndërpresin qarkun, nxehtësia e lartë do të gjenerohet brenda qelizës, e cila do të bëjë që një pjesë e elektrolitit të avullojë dhe të zgjerojë guaskën e baterisë. Kur temperatura e brendshme e baterisë është deri në 135 gradë Celsius, një letër diafragme me cilësi të mirë do të mbyllë poret, reaksioni elektrokimik do të përfundojë ose pothuajse përfundon, rryma do të bjerë ndjeshëm dhe temperatura do të bjerë ngadalë, duke shmangur kështu një shpërthim. Megjithatë, shkalla e mbylljes së poreve është shumë e dobët, ose poret nuk janë të mbyllura fare. Letra e diafragmës do të bëjë që temperatura e baterisë të vazhdojë të rritet, më shumë elektrolit do të avullojë dhe më në fund guaska e baterisë do të thyhet ose edhe temperatura e baterisë do të rritet në Materiali djeg dhe shpërthen. Qarku i shkurtër i brendshëm shkaktohet kryesisht nga gërvishtjet e fletës së bakrit dhe letrës së aluminit që shpojnë diafragmën, ose kristalet dendritike të atomeve të litiumit që shpojnë diafragmën. Këto metale të vogla si gjilpëra mund të shkaktojnë mikroqarqe të shkurtra. Meqenëse gjilpëra është shumë e hollë dhe ka një vlerë të caktuar rezistence, rryma nuk është domosdoshmërisht e madhe.

Gërshet e bakrit dhe fletës së aluminit shkaktohen gjatë procesit të prodhimit. Fenomeni i dukshëm është se bateria rrjedh shumë shpejt, shumica e të cilave mund të kontrollohen nga fabrika e baterive ose fabrika e montimit. Për më tepër, për shkak të gërvishtjeve të vogla, ato ndonjëherë do të digjen, duke bërë që bateria të kthehet në normalitet. Prandaj, probabiliteti i shpërthimit të shkaktuar nga mikro-qarku i shkurtër i grykës nuk është i lartë. Kjo deklaratë mund të shihet nga fakti se shpesh ka bateri të këqija me tension të ulët menjëherë pas karikimit në fabrika të ndryshme të qelizave të baterive, por ka pak shpërthime, gjë që mbështetet nga statistikat. Prandaj, shpërthimi i shkaktuar nga qarku i shkurtër i brendshëm është shkaktuar kryesisht nga mbingarkesa. Sepse pas mbingarkesës, ka kristale metalike të litiumit në formë gjilpërash kudo në pjesën e shtyllës, pika e shpimit është kudo dhe qarku mikro i shkurtër ndodh kudo. Prandaj, temperatura e baterisë do të rritet gradualisht dhe në fund temperatura e lartë do të shkaktojë gazin e elektrolitit. Në këtë rast, nëse temperatura është shumë e lartë për të shkaktuar djegien dhe shpërthimin e materialit, ose nëse fillimisht është thyer guaska e jashtme, duke shkaktuar hyrjen e ajrit dhe oksidimin e metalit të litiumit, është një shpërthim.

Megjithatë, shpërthimi i shkaktuar nga një qark i shkurtër i brendshëm i shkaktuar nga mbingarkesa nuk ndodh domosdoshmërisht në momentin e karikimit. Është e mundur që kur temperatura e baterisë nuk është mjaft e lartë për të djegur materialin dhe gazi i krijuar nuk është i mjaftueshëm për të thyer kutinë e baterisë, konsumatori të ndalojë karikimin dhe ta nxjerrë celularin jashtë. Në këtë kohë, nxehtësia e gjeneruar nga mikro-qarqet e shkurtra të shumta rrit ngadalë temperaturën e baterisë dhe ajo shpërthen pas një periudhe kohe. Përshkrimi i zakonshëm i konsumatorëve është se kur e marrin telefonin, zbulojnë se telefoni është shumë i nxehtë dhe shpërthen pasi e hedhin.

Bazuar në llojet e mësipërme të shpërthimeve, ne mund të fokusohemi në tre aspekte të mbrojtjes nga shpërthimi: parandalimi i mbingarkesës, parandalimi i qarqeve të shkurtra të jashtme dhe përmirësimi i sigurisë së qelizave. Midis tyre, parandalimi i mbingarkesës dhe parandalimi i qarkut të shkurtër të jashtëm i përkasin mbrojtjes elektronike, e cila ka një lidhje më të madhe me dizajnin e sistemit të baterisë dhe montimin e baterisë. Fokusi i përmirësimit të sigurisë së baterisë është mbrojtja kimike dhe mekanike, e cila ka një marrëdhënie më të madhe me prodhuesit e qelizave të baterisë.